酸雨的形成机制

酸雨的形成机制

摘要：酸雨对我们的生态环境和经济的发展造成了严重的破坏，如何控制酸雨已成为全球各个国家环境保护工作的重要内容之一。本文主要对酸雨的形成机制进行了分析。

关键词：酸雨；形成机制

酸雨与全球气候变暖、臭氧空洞、固体废弃物污染组成了“全球四大污染”，并且酸雨是跨越国界的全球性灾害，素有“空中死神”之称。随着工业革命的开始，化工企业快速发展，酸雨造成的大气污染不断加剧，成为制约经济发展的重要因素。通过对酸雨的形成机制进行彻底分析，对控制酸雨的蔓延，保护生态环境有着十分重要的意义。

1 酸雨的简介

我们通常所说的酸“雨”，是指pH值低于5.6的雨、雾、雪、霜、露等。以pH=5.6为标准，这是因为自然界大气中在10℃时存在的CO2浓度约为300ppm，当它和雨水充分接触达到平衡时，雨水的pH约为5.6。所以，当pH6值低于5.6的降水叫酸雨。

酸雨的主要阳离子有：NH4+,Ca2+,Na+,Mg+,H+。阴离子：SO42-,NO3-,cl-,HCO3-。酸雨中含有多种无机酸和有机酸, 其中绝大部分是硫酸和硝酸，而盐酸和其他有机酸则占很少部分。

2 酸雨的形成

关于酸雨的形成机制主要分为三个阶段，一是酸性气体的排放，二是酸性气体在空气

中的氧化，三是湿沉降（酸雨的沉降）。

2.1 酸性气体的排放

世界上很多国家和地区都在研究酸雨，经多年的观测和实验分析，现已确认，大气中的SO2 和NO2是形成酸雨的主要物质。据美国测定的酸雨成份：硫酸占60％、硝酸占32％、盐酸占6％、其余的是碳酸和少量有机物。大气中的SO2 和NO2的来源除自然原因:火山爆发、森林火灾、地震、雷电,以及海陆生物尸体的分解，海水的溅散和蒸发外，主要就是人为原因了。这表现在以下几方面：一是煤、石油、天然气等燃料燃烧，等，它们排放出的烟中含有大量的硫氧化物和氮氧化物，特别是煤，每年排放的SO2中约有66.7％来自煤的燃烧，对于我国这样的产煤大国，以煤为主要的能源利用方式长期占据着主导地位，情况就更严重了；二是有色金属冶炼时逸出大量的SOX气体；三是化工生产，特别是硫酸和硝酸的制备，生产时所谓的工业尾气中含有SOX和NOX气体；四是汽车排放的尾气含有NOX成份；五是土壤中的某些有机体(化肥等)释放分解产生的NO2等。总之，酸雨主要是人类工业污染的产物，优化能源利用，改进生产工艺对控制酸雨有着根本性的作用。

2.2 酸性气体的氧化

由于酸雨中的酸主要是硫酸和硝酸，而主要的酸性物质是SO2 和NOX，因此这儿主要谈谈SO2 与NOX的氧化过程。它们的氧化按反应体系，可分为均相氧化和非均相氧化。按反应机理可分为光化学氧化、自由基氧化、催化氧化和强氧化剂氧化。

2.2．1 SO2 的均相氧化反应

SO2 的吸收光谱包括三个吸收带，产生单重态和三重态，而均相氧化反应往往是从三

重态开始的。SO2 直接与O2反应，生成SO3和O，进而与H2O作用生成H2SO4气溶胶。反应过程为：

SO2 + v → SO2 *

SO2 * + O2 → 2SO3

SO3 + H2O → H2SO4

SO2 与氧化自由基的反应：在大气环境中存在着一定数量的氧化自由基，它们主要来自NOX与碳氧化合物相互作用过程中的中间产物，也来自光化学污染产物如醛、亚硝酸盐和过氧化氢的光分解。SO2 与氧化自由基如OH,CH3O2.,H2O等碰撞而发生氧化。反应过程如下：

OH + SO2 → HSO3

HSO3 + OH → H2SO4

HO2 + SO2 → OH + SO3

SO2 在大气中还可以与O3、NOX、CO等发生反应生成SO3，如：

SO2 + O3 → SO3 + O2

但这些反应与自由基反应相比，只能处于次要地位。SO2 一旦生成SO3后，十分容易与H2O蒸汽反应生成H2SO4。因此在一般大气条件下，SO2 一旦被氧化后，基本省上都是

以H2SO4气溶胶形态存在。

2.2．2 SO2 的液相氧化

当大气中的SO2 进入雾，云和雨水中，而水滴中又存在着各种氧化性物质（如O2,O3，H2O2），以及能促进氧化的催化物质（如Mn2+ ,Fe3+,V等），就会发生SO2 的液相化过程，SO2 的液相氧化主要有三种形式：

1．SO2 与O2的非催化反应：这种反应过程主要有SO2 在水中溶解、解离，亚硫酸盐或亚硫酸盐的离子氧化。主要作用机理如下：

SO2 （g） + H2O(l) ↔ H2SO3(l)

H2SO3(l) ↔ HSO3-(l) + H+(l)

HSO3-(l) ↔ SO32-(l) + H+(l)

2SO32-(l) + O2 ↔ 2SO42-(l)

式中（g）和(l)分别表示气相和液相。

2．SO2 和O2在Mn2+ ,Fe3+ 等的催化氧化：

2SO2 + 2H2O + O2 → 2 H2SO4

3．SO2 与O3、H2O2的氧化反应：

SO2 + O3 → SO3 + O2

SO2 + H2O2 → H2SO4

大气中的NH3对SO2 的氧化也有一定影响，因为NH3可在液滴中形成NH4+，会使水滴的pH值升高，加速SO2 的氧化。

2.2. 3 SO2 的固相氧化

SO2 在固体颗粒物表面的氧化反应也是较典型的。燃煤排放的烟煤颗粒物表面上，含有不少碳黑及金属氧化物（如Fe2O3、MnO2 等），它们吸附了SO2 使其催化氧化成SO42- 。现已发现在活性炭表面上SO2 的氧化速率可增快每小时30％左右。因此烟尘对SO2 的氧化也相当重要。

2.2.4 NOX的气相氧化反应

大气中的NOX的主要组成为NO,NO2。NO2在大气中经常发生光解产生NO，然后通过O3,H2O2,RO2,RCOO2等的作用生成NO2。

NO + O3 → NO2 + O2

NO2可与OH自由基反应转化为硝酸：

OH + NO2 + M → HNO3 + M

此反应主要在白天发生。硝酸还有另一条生产途径：

NO2 + O3 → NO3 + O2

NO3 + NO2 → N2O5

N2O5 + H2O → 2HNO3

这主要是夜间发生的反应。

2.3 酸沉降

大气环境中又了酸性物质，是产生酸雨的先决条件。但酸雨的形成，还与大气环境的条件和形成过程有关。

大气中的水蒸气变成云，在成长为雨的过程是一种物理过程。这是由气相转变为液相或固相的变化过程。这个过程可以分为四个阶段。第一阶段是水蒸气成为过饱和的状态；第二阶段为云粒的产生。可能是微细的水滴，也可能是冰晶。这是凝结核生产的阶段；第三阶段是微小云粒或冰晶与水蒸气凝结而长大，成为雨滴、雪片；最后阶段是雨滴或雪片的长大，这是小雨滴互相碰撞、附着、并合的过程。其中第一、二阶段是云产生的过程，第三、四阶段是云成为降水的过程。

酸性物质可在第一、二阶段进入云中，也可能在降水过程中进入降水中。这两种不同的酸化过程，形成了湿沉降中两种不同清楚大气污染的类型。前一种类型称为“雨除”，它是在云形成时，把含有酸性物质的气溶胶作为凝结核。后一种类型成为“洗脱”，它是在云下雨水降落过程中。吸收大气中的酸性物质的过程。这便形成了酸雨。

2.4 其他因素对酸雨形成的影响

酸雨的形成于大气中酸性物质浓度大小及其转化条件有关。但地形、地貌、气象条件，如各种大气环流、天气系统、风向、风速等对大气污染物的沉降、扩散、输送都有着密切关系。盆地地形以及低压天气系统往往不利于污染物的扩散，加剧了污染物的聚集，当气温高，湿度大时，像二氧化硫很容易转化为硫酸；高压系统控制下的天气，地形开阔，风速较大则易于污染物扩散。如我国四川盆地，多山，静风的频率达73%，大气层结稳定，不利于SO2 的稀释扩散，在有降水过程时则会形成酸雨。如果该地区土壤属酸性，大气中碱性物质较少，这样雨水中的酸性不易被中和而降低，因而就有利于酸性降水的出现。重庆、贵阳地区就属于这种条件。相反，如北京地区，气候干燥，土壤为碱性，大气颗粒物中土降成分约占一半（含碱性物质很多）,春冬季风大、扬尘多、虽然大气中二氧化硫和氮氧化物的浓度较高，仍不出现酸雨现象。

5. 结论

随着生活质量的提高，人们对保护生态环境的意识也越来越强。环境保护问题日益受到各国人民的和政府的重视，国际社会多次磋商共同解决酸雨等污染环境的问题.只有我们真正掌握酸雨的形成机理，才能从根源找到控制和防治酸雨的有效办法.

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